高强度基岩上桥梁嵌岩桩嵌岩深度的确定方法.pdf

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第4期(总第160期)中国亏丛王柱No．4(ser旧IN。．160)2012年8月CHINAMUNICIPALENGINEERINGAug．2012●■●■■■■—■■●■——●—■■■————■■—■———■—■■■—●———————————一IIIII————■■—●—————一DOI：10．3969／j．issn．1004—4655．2012．04．008高强度基岩上桥梁嵌岩桩嵌岩深度的确定方法唐祖宁(上海市城市建设设计研究总统，上海200125)摘要：深入探讨了嵌岩桩的受力机制，对目前所采用的几种确定嵌岩桩嵌岩深度的方法进行了分析。针对这些方法在高强度基岩基础上确定嵌岩桩深度的不足，提出了基于桩身能力的确定方法。计算分析了各因素对嵌岩深度的影响，得到高强度基岩基础上桥梁嵌岩桩嵌岩深度的最大值。关键词：桩身能力；嵌岩桩；嵌岩深度；高强度基岩中图分类号：U443．15文献标志码：A文章编号：1004-4655(2012104-0022—03在工程地质条件较好，岩层强度较高的地区，大直径嵌岩桩因其具有单桩承载能力高、沉降小、群桩作用小等优点，已成为在桥梁工程中广为采用的基础形式。嵌岩桩的嵌岩深度对桩基的竖向承载力和桩身稳定至关重要。但目前的嵌岩深度计算方法在确定桩基嵌入高强度基岩深度的计算中存在不足，导致设计人员在实际工程中多持保守态度。这也使得在高强度基岩中桩基施工难度加大，施工成本提高，严重滞后了施工进度⋯。因此，设计人员需要一种合理可靠、简便易行的嵌岩桩嵌岩深度的确定方法。1工程实例泉州北迎宾大道拓改工程位于泉州东北部、洛阳江南岸。工程北起洛阳江，南至华侨大学。沿线跨越多条横向道路及河道，需要建设桥梁。地质勘察报告显示，沿线钻孔揭露的地层中广泛分布有中、微风化花岗岩，岩层坚硬程度为较硬岩。中风化花岗岩的岩体完整程度为较破碎，基本质量等级为V级；微风化花岗岩的岩体完整程度为较完整，岩体基本质量等级为Ⅲ级。场地中地质条件复杂，多孤石，岩面起伏较大。中、微风化花岗岩强度较高，岩石饱和单轴抗压强度标准值．丘普遍在30～65MPa之间。根据泉州地区的工程实践，该工程桥梁基础采用大直径的嵌岩桩是合适的，嵌岩桩混凝土强度等级为C30。收稿日期：2012—06—04作者简介：唐祖宁(19r77一)，男，工程师，主要从事桥梁结构设计。222嵌岩桩嵌岩深度的确定2．1根据竖向承载力确定嵌岩深度嵌岩桩在受到竖向力的作用下，桩身产生的压缩变形导致了桩身与桩侧土(岩)体之间的相对位移，而桩侧土(岩)体给桩身提供了向上的摩阻力。随着桩顶竖向力的增加，桩内竖向力零点逐渐下移，当到达桩底基岩时，桩底基岩产生桩端阻力参与抵抗竖向力。这一结果，已经被国内外很多有限元分析和实测研究成果所证实拉。3J。因此嵌岩桩的竖向承载力，由桩端阻力和桩侧土(岩)体摩阻力决定。由此得到桩基承载允许值[R。]计算公式为rR。]=c,A以+uc2』Il^+知。u∑：liq血(1)式中：3项分别为桩端阻力、岩体产生的桩侧摩阻力和土体产生的桩侧阻力。c，、c：为根据清孔情况、岩石破碎程度确定的系数；A。为桩端截面积，m2派为桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值，kPa；u为桩身周长，m；^，为桩基嵌岩深度，m；f。为覆盖层土的侧阻力发挥系数；l。为各土层的厚度，m；q矗为桩侧第i层土的侧阻力标准值，kPa；n是土层的层数。设计中，根据计算得到的[尺。]，得到桩基嵌岩深度h，为ER．]一clA以一知。“∑h矗^r=———i孟L一(2)作为受压构件，桩身内轴力Ⅳ、桩基承载允许值[R。]及桩身抗压承载能力设计值Ⅳd的关系式为N≤[R。]≤确Nd=0．9t：f!fcdAp(3)式中：y。为结构重要性系数；Ⅳd为轴向力组合设计 中国彳丛z张唐祖宁：高强度基岩上桥梁嵌岩桩嵌岩深度的确定方法2012牟-．g4期值，kN；咖为≤l的稳定系数，工。为混凝土的抗压强度设计值，kPa(C30混凝土厶=20．1×103kPa)。式(3)未考虑桩基内受压钢筋的影响。1当y。Na≤c，A以+寺六n∑?tq矗时，贝Ⅱ式(2)中‘oh，≤0，该公式结果无实际工程意义。本工程中，中、微风化花岗岩饱和抗压强度厶普遍较高，即便不考虑桩侧土体摩阻力，当^≥32MPa时，代入式(2)得h，≤o，则无法获得合理的桩基嵌岩深度h，。2．2根据桩身稳定确定嵌岩深度该方法∞1的思路为，嵌岩桩在基岩顶面处受到的弯矩不能导致桩身在基岩中发生转动倾覆。为简化桩身稳定的计算，将桩身所受水平力和岩层提供的桩侧摩阻力忽略不计；在嵌固深度范围内桩的应力呈三角形分布；对于圆形桩，桩侧压力最大值等于平均压力的1．27倍。其基本力学模型见图1。V岩顶面吒—、、＼k1秀．／丁、＼．．亡1嘭名弘印圈1嵌岩桩嵌岩深度范围内压力分布图由此得到圆形桩嵌岩深度h。为=跞(4)式中：膳H为基岩顶面处的弯矩，kN·Ill；卢为水平抗压强度的折减系数；d为桩径，m。该工程中，基岩的埋置深度变化较大，地质条件复杂，同时受外荷载(如地震作用、土压力)、桩一土效应等因素的影响，合理的肘H有时难于确定，这给计算嵌岩深度带来一定难度。除此之外，还有一种考虑了桩端处抗力对嵌岩桩稳定有所帮助的修正方法。该方法将桩端断面与基岩接触面上产生的反力矩计入公式，从而得到的嵌岩深度小于修正前。但在嵌岩桩桩底沉渣厚度对桩基影响的研究表明，当嵌岩深度比h,／d<一3．0时，沉渣厚度对嵌岩桩的承载力影响非常显著。在实际工程中，桩底沉渣厚度的控制较难检测，按此方法确定嵌岩深度h，，工程的安全冗余较小。2．3根据桩顶沉降控制确定嵌岩深度HJ一般设计荷载作用下，嵌岩桩的位移较小，桩侧摩阻力处于弹性阶段。该方法基于剪胀效应的嵌岩桩桩侧摩阻力公式，推导出嵌岩深度关于桩顶荷载、沉降值、桩身的弹性模量和面积，以及桩侧综合影响系数的迭代公式，通过假设沉降量，得到嵌岩深度。该方法计算前须确定沉降控制值。根据泉州地区既有桥梁工程经验，在基岩埋置深度较浅、且基岩弹性模量较大的情况下，嵌岩桩的沉降量通常较小，往往可以满足工程需要。因此，在该地区嵌岩桩设计中，桩顶沉降通常不作为控制目标。3基于桩身能力的嵌岩桩嵌岩深度确定方法在该工程设计中，上述方法在解决高强度基岩中嵌岩桩嵌入深度问题上有一定局限性，本文通过引入桩身能力概念对2．2节中方法进行改进，以确定常规桩基在高强度基岩中嵌岩深度的控制最大值。对于高强度基岩内的嵌岩桩，往往采用冲孔灌注桩形式，其断面为圆形。下文为讨论方便，均以圆形断面为例。该工程属地震基本烈度7度区，抗震构造措施按8度设计，桩身内往往通长布置钢筋。嵌岩桩在压弯作用下，其肘一Ⅳ曲线见图2。图2中曲线上的点表示桩身在受到某特定轴向力时，其所能承受的最大弯矩值。若桩身的弯矩、轴力对应的点在曲线所包围的范围内，则达不到破坏状态。图2压弯构件M一～曲线由式(4)可知，嵌岩深度^，与基岩所能提供的最大抗倾覆稳定弯矩朋。满足的关系式为MH=0．0655^：JE狐d(5)可见，嵌岩深度h，为基岩所能提供的稳定弯矩肘H的单调递增函数。在稳定弯矩肘。小于桩身的抗弯能力肘，时，破坏呈桩身稳定破坏；在稳定弯矩肘H 中国专丛z穿f唐祖宁：高强度基岩上桥梁嵌岩桩嵌岩深度的确定方法2012年第4期大于桩身的抗弯能力腹时，破坏呈桩身强度破坏。即在桩身抗弯能力肘，一定的情况下，当桩身稳定弯矩MH与肘，相等时，再增加嵌岩深度，虽然稳定弯矩增加，但桩基已经是桩身强度破坏控制，因此从桩基的总体可靠性上来讲是没有帮助的。所以，对于桩径d、桩身配筋率／．t一定的情况下，嵌岩桩的嵌岩深度h。有最大值，该值为当^靠=M，时所对应的嵌岩深度：MH|MT一40．065S隧囊一心0．0655,ef,,d(6)该工程设计中，为方便比较，在如下约定内进行分析。1)桩基采用圆形桩，桩径分别取为1．2m、1．5nl和1．8m。2)桩基嵌岩深度h。是系数卢的单调递减函数，／3值分别取0．5和1．0。3)桩基嵌岩深度^，是岩石饱和单轴抗压强度标准值^的单调递减函数^分别取30MPa和65MPa。4)除了桩径d和桩身配筋率弘外，桩身抗弯能力丝的值主要由作用在桩身的轴向力Ⅳ决定。实际工程中，Ⅳ值因上部结构作用、桩一土效应、桩基设计等不同而不同，因此肘，值也难于确定。为讨论方便，假设Ⅳ值可以使桩基抗弯能力达到极大值膨一，虽然实际可能达到的肘，值小于该极大值。5)计算混凝土、钢筋中采用材料强度的标准值。表1列出了直径分别为1．2m、1．5m和1．8m的桩基，常规配筋率情况下，届分别取0．5和1．0^分别取30MPa和65MPa，采用式(6)计算得到的嵌岩深度h，与桩径d之间的比值。表1嵌岩深度爆与桩径d的比值表届=0．5口=1．0直径d／m配筋率pjIf一／kbl·mfe,=30MPaA=65MPaA=30MPaA=65MPaO．6735871．4-50．99103O．700．8l37401．481．Ol1，050．7l1．21．0439801．531．04l，080．741．31428l1．591．081．12O．76O．6569901．450．99l，03O．70O．8374001．491．Ol1．06O．72l-51．0578401．541．04I．090．741．3785701．6l1．091．14O．770．541l7401．43O．971．01O，毋O．69123001．471．001．040．701．80．8"／13Ooo1．5l1．021．070．721．14140001．561．061．1IO．75从表1可以看出，在常规配筋率的情况下，嵌岩桩嵌入高强度基岩内的嵌岩深度的最大值通常为1．0—1．6d。这与实际工程设计情况是比较吻合的。4结语1)对于嵌岩桩来讲，桩身嵌入基岩的深度对桥梁基础的承载力、稳定性等至关重要。’2)嵌入高强度基岩的嵌岩桩设计中，在JTGI)63---2007《公路桥涵地基与基础设计规范》关于桩身稳定计算公式的基础上，引入桩身能力概念，确定M。，从而得到桩基嵌岩深度的大致合理范围。需要说明的是，本文为方便讨论，桩身的抗弯能力未考虑其所受的轴力，而直接取为肘一。实际工程中，桩身的抗弯能力往往达不到该值，因此用肘一代入公式，其所取得的嵌岩深度为可能的最大值。3)在桥粱工程设计中，考虑到现场的复杂性，某些嵌岩桩嵌岩深度往往取得比较保守，甚至达到2倍以上桩径。从本文的分析可以看到，对常规配筋的桩基，通常在高强度基岩中嵌岩深度的最大值在1．6倍左右，过大的嵌岩深度既延长了工程工期，又增加了工程造价，且不会带来更多的基础可靠度，因此是不可取的。参考文献：[1]陈和中，王文龙，黄培基，等．钻孔灌注桩嵌岩深度处理[J】．浙江水利科技，2004(5)：59—60．[2]陈斌，卓家寿，吴天寿．承载性状的有限元分析[J]．岩土工程学报。2002。24(1)：51—55．·[3]赵明华，张玲，刘建华．公路桥梁嵌岩桩嵌岩深度计算[J]．中南公路工程，2007，32(1)：1—4．[4]雷勇，赵明华，马缤辉．按桩顶沉降控制的嵌岩桩嵌岩深度计算方法[j]．公路交通科技，201l，28(5)：86-91．